Исследование и разработка системы автоматического управления температурными режимами в процессе текстурирования синтетических нитей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Лопаткина, Мария Васильевна

• Лопаткина, Мария Васильевна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лопаткина, Мария Васильевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Анализ процесса текстурирования, как объекта автоматического управления.

1.1. Анализ современных однопроцессных текстурирующих машин, оснащенных системами автоматического контроля и управления.

1.2. Анализ влияния термообработки в процессе текстурирования на физико-механические свойства конечного продукта.

1.3. Известные методы и средства автоматического контроля и управления температурой в процессе текстурирования.

1.4. Анализ температурных режимов в термокамере текстурирующей машины.

1.5. Влияние скорости движения лавсановых нитей на температуру нитей. 49 Выводы по главе.

Глава 2. Исследование и разработка волоконно-оптического датчика температуры с ИК-световодом.

2.1. Анализ свойств волоконно-оптических преобразователей.

2.2. Расчет параметров волоконно-оптической системы датчика.

2.3. Выбор активного элемента волоконно-оптической системы.

2.4. Разработка конструкции стенда для исследования одноканального датчика температуры с поликристаллическим ИК-световодом.

Выводы по главе.

Глава 3. Исследование и разработка системы автоматического управления температурным режимом в процессе текстурирования.

3.1. Структурная схема системы управления процессом нагрева текстурируемой нити.

3.2. Синтез системы управления по каналу «скорость движения нити -температура нити».

3.3. Система, использующая в качестве управляющего воздействия время контакта нити с нагревательным устройством.

Выводы по главе.

Глава 4. Техническая реализация систем управления процессом нагрева синтетических нитей в процессе текстурирования.

4.1. Модернизированная конструкция нагревательного устройства.

4.2. Микропроцессорная система управления шаговым двигателем.

4.3. Волоконно-оптический датчик температуры.

4.4 Системы управления временем контакта нити с термокамерой.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка системы автоматического управления температурными режимами в процессе текстурирования синтетических нитей»

Актуальность работы. Основными целями концепции развития текстильной промышленности РФ являются: повышение эффективности производства современных конкурентно способных товаров, удовлетворяющих потребности населения и государства; обеспечение глубокой переработки отечественного сырья, в частности, химических волокон и нитей; а также увеличение удельного веса химических волокон в сырьевом балансе отрасли.

Технологический процесс текстурирования, обеспечивающий получение высокообъемных нитей из синтетических волокон, является важной составляющей для достижения поставленных в указанной концепции целей.

Текстурированные нити, мировое производство которых превышает полтора миллиона тонн в год, успешно применяют для изготовления текстильных изделий широкого потребления: чулок, носков, верхнего и нижнего трикотажа, формоустой-чивого трикотажного полотна, используемого для пошива мужских и женских костюмов, пальто, для производства искусственного меха, ковров, одеял, драпировочных и обивочных тканей и т.п. В этих условиях важным является обеспечение высокого качества текстурированных нитей, позволяющего существенно повысить конкурентную способность отечественных товаров.

Повышение качества и производительности процесса текстурирования неразрывно связанно с постоянным совершенствованием технологического процесса, оборудования, а также систем автоматического контроля и управления.

В связи с вышеизложенным, тема диссертационной работы, посвященная исследованию и разработке системы автоматического управления температурными режимами в процессе текстурирования является весьма актуальной.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является исследование и разработка системы управления температурными режимами в процессе текстурирования синтетических нитей, обеспечивающей получение конечного продукта с заданными физико-механическими свойствами.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ особенностей технологического процесса текстурирования синтетических нитей. Исследование существующих технологических процессов, оборудования, а также известных систем автоматического контроля и управления температурными режимами в процессе текстурирования.

2. Экспериментально-теоретическое исследование технологического процесса нагрева нагревательного устройства и синтетической нити, как объекта управления.

3. Получение математической моделей процесса нагрева нагревательного устройства и текстурируемой нити.

4. Выбор структур систем автоматической стабилизации температуры нагревательного устройства и синтетической нити в процессе текстурирования.

5. Синтез системы автоматической стабилизации температуры синтетической нити в термокамере текстурирующей машины.

6. Разработка и исследование микропроцессорной системы управления шаговым электроприводом.

7. Исследование и разработка волоконно-оптического датчика температуры синтетической нити непосредственно в термокамере текстурирующей машины.

8. Экспериментальное исследование макетного образца волоконно-оптического датчика температуры синтетической нити.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель процесса нагрева синтетической нити в процессе текстурирования. Результаты параметрической идентификации.

2. Конструкция нагревательного устройства текстурирующей машины, обеспечивающая новый подход к системе управления нагревом синтетической нити.

3. Принцип управления процессом нагрева синтетической нити с использованием в качестве управляющего воздействия времени контакта нити с нагревателем.

4. Двухканальная структура системы управления процессом нагрева синтетической нити.

5. Имитационная модель системы управления процессом нагрева синтетической нити.

6. Оптоэлектронный бесконтактный способ измерения температуры синтетической нити непосредственно в термокамере текстурирующей машины.

7. Результаты экспериментальных исследований и математического моделирования разработанных алгоритмов и схем контроля и управления.

Методика проведения исследований. В работе использованы современные математические и инструментальные методы исследований. При построении математической модели процесса нагрева синтетической нити был использован метод экспериментальной идентификации и компьютерной обработки информации. Теоретические исследования основывались на методах современной теории автоматического управления, теории информационно-измерительных систем. Экспериментальная часть исследований проводилась с использованием высокоточных регулирующих и измерительных приборов. Для исследования алгоритмов управления использовались методы математического моделирования в среде Matlab.

Научная новизна. Исследован процесс нагрева синтетической нити как объекта автоматического управления. Предложена математическая модель процесса нагрева нити. Разработана система стабилизации температуры синтетической нити в процессе текстурирования, использующая в качестве основного управляющего воздействия время контакта нити с нагревателем.

Предложена конструкция нагревательного элемента, позволяющая реализовать новый подход к системе управления процессом нагрева синтетической нити.

Разработан волоконно-оптический датчик температуры синтетической нити непосредственно в термокамере текстурирующей машины.

Достоверность результатов работы. Адекватность полученных моделей процесса нагрева синтетической нити, системы стабилизации температуры тексту-рируемой нити, а также система автоматического контроля нити в процессе текстурирования подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных исследований методом математического моделирования.

Практическая ценность. Полученные научные результаты могут быть использованы при создании и совершенствовании систем управления процессом нагрева синтетической нити.

Развиваемые в диссертации методы автоматического контроля и управления могут найти применение для автоматизации аналогичных операций в производстве химических волокон, а также других продуктов, получаемых путем вытягивания из расплавов.

Материалы диссертационной работы обсуждены и получили положительную оценку на Всероссийских научно-технических конференциях «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль-2004, Текстиль-2005, Текстиль-2006), Всероссийской научной конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы тактильной и легкой промышленности» (Прогресс-2004, Прогресс-2005).

Публикации, По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов по главам и общих выводов, списка используемой литературы из 81 наименований и 1 приложений. Работа изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 11 таблицы, 82 иллюстраций.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Лопаткина, Мария Васильевна

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Проведен всесторонний анализ технологического процесса текстурирования как объекта автоматического управления. Сформулированы основные требования, предъявляемые к системам автоматического управления температурными режимами в процессе текстурирования.

2. Путем моделирования исследованы три варианта системы управления температурными режимами и определены их возможности по стабилизации температур текстурируемых нитей.

3. Проведено исследование процесса нагрева нити в термокамере как объекта автоматического управления при использовании в качестве управляющего воздействия скорости движения нити.

4. Проведен синтез системы управления температурным режимом с наблюдателем состояния и путем моделирования определена эффективность этой системы.

5. Предложена конструкция нагревательного устройства, позволяющая реализовать систему управления процессом нагрева текстурирующей нити при использовании в качестве управляющего воздействия времени контакта нити с нагревателем.

6. Исследован и разработан одноканальный датчик температуры движущейся нити. Разработан и изготовлен стенд для испытаний одноканального датчика температуры с ИК-световодом, проведены сравнительные измерения температуры радиационным и контактным методом.

7. Разработаны функциональная и структурная схемы системы автоматического управления температурным режимом нагрева синтетической нити при использовании в качестве управляющего воздействия времени контакта нити с нагревающем устройством.

8. Разработано программное обеспечение, обеспечивающее компьютерную реализацию систем управления температурными режимами.

9. Путем моделирования установлена высокая эффективность системы управления, обеспечивающая минимальное время регулирования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лопаткина, Мария Васильевна, 2006 год

1. В.А. Усенко. Переработка химических волокон (технология кручения и текстурирования). М: «Легкая индустрия» 1975.

2. В.А. Усенко. Производство крученых и текстурированных химических нитей. М.: Легпромбытиздат, 1987.

3. Л.С. Смирнов, В.А. Шавлюк. Текстурированные нити. М.: «Легкая индустрия», 1979. -232 с.

4. В.А. Усенко, В.А. Ивашова. Оборудование для прядильного производства и производства химических волокон. -М.: ЦНИИТЭИлегпищемаш, 1979.

5. А.Г. Севостьянов, В.Г. Козлов, А.А. Осмин и др. Механическая отехнология текстильных материалов. М.: Легпромбытиздат, 1989. - 512 с.

6. Д.И. Каландаров. Особенности переработки текстурированных нитей эластик малой линейной плотности. М.: Легпромиздат, 1988.

7. Г.Г. Трошина. Временный технологический режим текстурирования химических нитей на машине ТК-600 М.: ЦНИИТЭИлегпром 1983.

8. Э.М. Айзенштейн. Мировое производство химических волокон и нитей. Часть III. Химические волокна в современной России. Журнал «Текстильная промышленность», № 11, 2004.

9. Э.М. Айзенштейн. Оборудование для производства и переработки химволо-кон и нитей на «ИНЛЕГМАШ 2004». Журнал «В мире оборудования», № 9, 2004.

10. Э.М. Айзенштейн, В.А. Ефремов. /Каталог «В мире оборудования», № 5-6 (10-11), май-июнь 2001, с. 24.

11. Chemical Fibers International, 53, № 4, September 2003, s. 225

12. M.Pura, D.Noss, M.Herzberg. Barmag/Sauer. Developments. Trends. Technologies./октябрь 2003.

13. В.В. Живетин. Перспективы развития Российского комплекса по производству и переработке химволокон и нитей для текстильной промышленности. «Российский химический журнал», № 2, 2002.

14. Ю.А. Кузнецов. Интенсификация процесса термофиксации синтетических нитей способом ложного кручения. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МТИ, 1987.

15. Dupeuble I.C. Исследование условий текстурирования химических нитей. «L'industrie textile», 1977, № 1073, с.642.644.

16. Seidel Leon Е. Контроль качества текстурированных нитей. «Textil Industries», 1977,141, №7 с. 25.28, 49.

17. Исследование колебаний линейной плотности нити. «Chemiefasern/textile-industrie», 1977, №9 с. 776, 778, 782, 787-778.

18. Anahara Meiji, Fujita Takayoski. Устройство для регулирования ложной крутки. Пат. США, Кл.57/34 Hs. № 551782.

19. Fischer К. Фрикционное текстурирование нитей. «Chemiefaserrn/textile-industrie», 1977, № 10, с. 895-896.

20. С.А. Игнатенко, И.Д. Пупышев. Устройство для регулирования температуры нити. -Барноульское опытно-конструкторское бюро автоматики Научно-производственого объединения «Химавтоматика»; Авторское свидетельство СССР № 735679, Кл. D 02 J 1/22,1978.

21. В.С.Балакирев, Е.Г. Дудников, A.M. Цирлин. Экспериментальное определение динамических характеристик промышленных объектов управления. М.: «Энергия», 1967.

22. Н.П. Осипов и др. Определение температуры движущейся нити. Журнал «Химические волокна», № 2,1989.

23. А. Скобова, С. Медвецкий. Технология получения искусственных текстурированных нитей. Журнал «В мире оборудования», № 11,2003.

24. Автоматизация процесса текстурирования. Журнал «Химические волокна», № 4,1993.

25. Круглова С. В. Система автоматического управления температурным режимом нагрева заготовки при производстве фторидных волокон. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

26. Ю. Д. Румянцев, А. А. Тимохин. «Параметрическая оптимизация систем автоматического управления технологическими процессами». Учебное пособие. -М., 2002.

27. Жансагимов Б.Ж. Математическая модель нагрева нити в процессе текстурирования волокон. Статья депонирована в ЦНИИТЭИлегпром, сентябрь 1983, № 804.

28. Жансагимов Б.Ж., Епифанов А.Д., Володин В.М. определение оптимальной скорости движения нити в процессе текстурирования синтетической нити. Статья депонирована в ЦНИИТЭИлегпром, сентябрь 1983, № 805.

29. Жансагимов Б.Ж. разработка оптимальной системы автоматического управления процессом текстурирования синтетических нитей. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1984

30. Рабкин P.JL, Смагоринский А.Б. Автоматизированные электроприводы машин для производства синтетических нитей. Л.: Машиностроение, 1982.

31. Думченко Ю.В., Соколов П.М. Способ стабилизации режима термовытяжки химических нитей. Авторское свидетельство СССР № 619552, Кл. D 01 D 5-22,1978.

32. Трухан А.А., Минак Я.А., Шекера С.А. Устройство для термического окисления материала при производстве углеводных волокон. Авторское свидетельство СССР № 1144432 Кл. D 02 J 13/00 1983.

33. Кодайра А. Нагреватель синтетической нити. Авторское свидетельство СССР № 518144 Кл. D 02 J 13/00 1976.

34. Кодайра А. Устройство для термической обработки пряжи. Авторское свидетельство СССР № 579918 Кл. D 06 J 13/00 1978.

35. Изоар Б. Устройство для термообработки нити. Авторское свидетельство СССР № 575041 Кл. D 02 J 13/00 1978.

36. Альтер-Песоцкий Ф.Л., Бровченков В.Е., Гонтарев Г.Г., Корьев А.С. -Устройство для термообработки крученых изделий из синтетических и натуральных волокон. Авторское свидетельство СССР № 347378 Кл. D 02 J 13/00 1970.

37. Самосюк П.А. Камера для нагрева непрерывно движущихся нитей. № 580832 D 02 J 13/00 1986.

38. Масанов Д.В., Себина Л.П. Автоматическая диагностика процесса текстурирования- Химволокна, 2005. -№ 2.

39. Лопаткина М.В., Румянцев Ю.Д. Устройство для автоматического контроля температуры текстильных материалов. Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. Текстиль-2004 - М.; МГТУ им. А.А. Косыгина 2004. - 309 с.

40. М.В. Лопаткина, Круглова С.В., Румянцев Ю.Д. Устройство для автоматического контроля температуры текстильных материалов. Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 8 М. МГТУ им. А.А. Косыгина. - 128 с.

41. Лопаткина М.В., Румянцев Ю.Д. Автоматический контроль температуры нити в процессе текстурирования. Деп. в ВИНИТИ № 831-В 2006. - 9 с.

42. Лопаткина М.В., Румянцев Ю.Д. Расчет параметров волоконно-оптической системы. Деп. в ВИНИТИ № 832-В 2006. - 13 с.

43. Ламекин В.Ф., Галкин С.Л., Шишигин Р.В., Прилуцкая Г.В. Волоконно-оптические датчики в контроле качества продукция, Обзорная информация: М., 1990. - (Сер. «Управление качеством продукции»; Вып.З/ВНИИКИ). В нздззг.: Госстандарт СССР. Я-блиогр.: с. 42.

44. Шишигин Р.В. Техника средств связи. М.: Экое, 1985

45. Широков Г.И., Светиков Ю.В. Техника волоконно-оптических датчиков. -М.: Экое, 1988

46. The prezent and future status of fitjre optic sensorp in industry Medcloc E.S. «Meascand Contr», 1987,20, №3, p. 14-17.

47. Бутусов М.И., Галкин С.Л., Оробинекий СП. Волоконная оптика и приборостроение.-Л.: Машиностроение, 1987

48. Giallorenai T.G., Bucano Y.A., Dandridge A, Cole Y.A. Optical fiber sensors, challenge the conrpetion // IEEE Spectrum 1986, September. - p. 44-49.

49. Пароль H.B., Кайдалов C.A. Фоточувствительные приборы и их применение. М.: Радио и связь, 1991. - 110 с.

50. Иванов В.В., Аксенов А.И., Юшин A.M. Полупроводниковые оптоэлек-тронные приборы. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 448 с.

51. Носов Ю.Р., Сидоров А.С. Оптроны и их применение. М.: Радио и связь, 1987.-276 с.

52. Электронные приборы. /Под ред. Г.Г. Шишкина. М.: Энерго-атомиздат. 1989. - 254 с.

53. Быстров Ю.А., Гамкрелидзе С.А., Иссерлин Е.Б., Черепанов В.П. Электронные приборы и устройства на их основе. Справочная книга. «РадиоСофт», М., 2002. 656 с.

54. Лайнс М., Глас А. Сегнетоэлектрики и родственные материалы. М.: МИР, 1981.-524 с.

55. MURATA: пьезоэлектрические, магниторезистивные и пироэлектрические датчики. -М.: Изд. Дом «Додэка-ХХ1», 2003. 80 с.

56. Волоконно оптические датчики. Под ред. Т. Окоси: Пер с япон. - JL: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1990.-256 с.

57. В.И. Брусурин, Ю.Р. Носов. Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы рачета и применения. М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1990.

58. Н.А. Бабаков, А.А. Воронов и др. Теория автоматического управления.Ч.1. Теория линейных систем автоматического управления. М.: «Высшая школа», 1997.

59. Костылева Н.Е. методы анализа и синтеза линейной системы управления сложными объектами текстильной промышленности. Конспект лекций. М.: МТИ, 1983,-с. 68.

60. Соседка В.Л. Современная теория управления. Конспект лекций. К.: КГУ, 1999.-с. 68.

61. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Учебник для студентов высш.техн.заведений. Изд.2-е, перераб. И доп. Л.: «Энергия», 1975. - 416 с.

62. Андреев В.А. Управление конечномерными линейными объектами. -М.: Наука, 1976.-424 с.

63. Воронов А.А. Введение в динамику сложных управляемых систем. М.: Наука, 1985.-351 с.

64. Петелин Д.П., Козлов А.Б., Джелялов А.П., Шахнин В.А. Уч. Пособие: Автоматизация технологических процессов в текстильной промышленности. М.: Легкая индустрия, 1980. - 320 с.

65. Петелин Д.П., Козлов А.Б., Джелялов А.П., Шахнин В.А. Учеб.

66. Для вузов в 5 книгах: Автоматизация производственных процессов текстильной промышленности. Автоматизация химико-технологических процессов текстильного производства. М.: Легпромиздат,1994. - 96с.

67. Кенио Т., Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 200 с.

68. А.А Макаров, Д.П. Петелин, Ю.Д. Румянцев, С.Е. Рыбкин, Математическое описание процессов управления в электрических двигателях. -М.: МГТУ, 2000 60 с.

69. Козлов А.Б., Румянцев Ю.Д., Тимохин А.Н., Круглова С.В. Автоматизация процесса производства оптических волокон. М.: МГТУ им. А.Н. Косыгина, 2005. -192 с.

70. Старченко С.А. Система автоматического управления процессами вытяжки и намотки оптического волокна. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М 2001.

71. Како Н., Ямане Я. Датчики и микро ЭВМ: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1986.

72. Пейтон А. Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. М.: БИНОМ, 1994.

73. Гелль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс. Пер. с франц. - М.: ДМК, 1999.

74. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение.-М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1990.